基于單片機和CPLD的無(wú)線(xiàn)膜厚監測系統
設計了一種基于單片機和復雜可編程邏輯器件(CPLD)的無(wú)線(xiàn)膜厚監測系統。闡述了其功能、結構、硬件、軟件等原理及其實(shí)現。系統采用PIC18F2550單片機和Altera EPM7064SCPLD 實(shí)現多周期同步法測量頻率，采用nRF24L01無(wú)線(xiàn)數據傳輸模塊實(shí)現遠距離膜厚監測功能。該系統克服了傳統有線(xiàn)連接的局限性，并具有低成本，小型化等優(yōu)點(diǎn)。
在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中，薄膜制備已成為一道基礎并且關(guān)鍵的步驟。在薄膜制備過(guò)程中，對薄膜厚度的監測顯得尤為重要。監控薄膜厚度的方法主要有電阻法，稱(chēng)重法，石英晶體振蕩法和光電極值法及其改進(jìn)，雙色法，波長(cháng)掃描法，電子模擬微分法，單色定值比較法，雙色四光路控制法，電離感測器法等。這其中以石英晶體振蕩法應用最為廣泛。
石英晶體微天平(quartz crystal microbalance, QCM)作為微量稱(chēng)量工具，可以測出10-6-10-9克的質(zhì)量。它具有體積小、靈敏度高、快速、簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，已廣泛用于化學(xué)、材料、生物、醫學(xué)、環(huán)境監測等領(lǐng)域。石英晶體微天平是基于石英晶體的壓電效應對其電極表面的附著(zhù)質(zhì)量進(jìn)行測量的儀器。它的基本工作原理為：石英晶振表面所負著(zhù)質(zhì)量的改變引起石英晶振振動(dòng)頻率變化。振動(dòng)頻率隨負著(zhù)質(zhì)量的改變滿(mǎn)足Sauerbrey方程：
式中Δf是石英晶振振動(dòng)頻率的改變，Δm是石英晶振表面的質(zhì)量改變值，f0是石英晶振的基頻，μq是石英晶體的彈性模量，ρq是石英晶體的密度，A是石英晶體具有壓電活性的表面積。
方程中的負號表明樣品質(zhì)量增加引起石英諧振器頻率的降低。通常QCM使用的石英晶振基頻在6 MHz左右，由(1)式可知，微小的質(zhì)量變化即能引起頻率有較大變化。因此QCM方法是一種極為靈敏的檢測手段。
目前，石英晶振膜厚監測儀已經(jīng)廣泛用于真空熱蒸發(fā)薄膜制備過(guò)程中的膜厚監測。傳統的石英晶體膜厚控制儀，晶振探頭置于真空腔體中，其頻率信號通過(guò)數據線(xiàn)傳于膜厚控制儀或電腦主機。但是，在某些特定的工業(yè)生產(chǎn)場(chǎng)所或科研場(chǎng)所，由于真空腔體與膜厚控制儀距離太遠等原因，不便用導線(xiàn)將探頭與膜厚控制儀連接起來(lái)。因此，本文設計一種無(wú)線(xiàn)膜厚監測系統。晶振探頭的頻率信號通過(guò)射頻傳輸到膜厚控制儀或主機。
1. 系統組成
膜厚監測儀的核心是石英晶振頻率計。本系統采用多周期同步法進(jìn)行頻率測量。多周期同步法測頻技術(shù)的實(shí)際閘門(mén)時(shí)間是被測信號的整周期倍, 而不是固定的值, 即閘門(mén)時(shí)間與被測信號同步, 因此消除了對被測信號計數時(shí)產(chǎn)生的出±1 個(gè)字誤差, 測量精度大大提高,而且達到了在整個(gè)測量頻段的等精度側量。
圖1 系統框圖
系統框圖如圖1 所示。系統主要由數據采集發(fā)送部分（下位機）和數據接收部分(上位機)組成。上位機中，皮爾斯振蕩電路驅動(dòng)石英晶振產(chǎn)生脈沖方波。此脈沖與溫補晶振(TCXO)產(chǎn)生的標準脈沖同時(shí)輸入到CPLD 進(jìn)行計數。單片機讀取CPLD 中的計數值，計算出待測信號的頻率值，再將頻率值送入無(wú)線(xiàn)發(fā)射模塊。上位機中的單片機讀取無(wú)線(xiàn)接收模塊收到的該頻率值，通過(guò)USB 總線(xiàn)發(fā)送到計算機。
2. 硬件設計
2.1 振蕩電路
振蕩電路的選取對石英晶振頻率的穩定度至關(guān)重要。常見(jiàn)的石英晶體振蕩電路有皮爾斯振蕩電路，考畢茲振蕩電路，克拉普振蕩電路[3]。綜合系統復雜度和頻率穩定度考慮，本系統采用皮爾斯振蕩電路。該電路能在2-20MHz 內能穩定工作。
圖2 皮爾斯振蕩電路
2.2 復雜可編程邏輯器件
本系統設計的理論測量精度為0.1ppm。被測信號為6MHz 的脈沖，而標準信號為60MHz的脈沖。因此采用復雜可編程邏輯器件(CPLD)對兩路脈沖同時(shí)計數。系統采用一片AlteraEPM7064S，設計成兩路16 位高速計數器。其最大內部全局時(shí)鐘頻率達175.4MHz，滿(mǎn)足高速計數的要求。計數閘門(mén)由單片機提供。
